Ligand effects on the structure and vibrational properties of the thiolated Au18 cluster

Most of the studies devoted to thiolated gold clusters suppose that their core and Au-S framework do not suffer from distortion independently of the protecting ligands (-SR) and it is assumed as correct to simplify the ligand as SCH3. In this work is delivered a systematic study of the structure and vibrational properties (IR and Raman) of the Au18(SR)14 cluster. The pursued goal is to understand the dependency of the displayed vibrational properties of the thiolated Au18 cluster with the ligands type. A set of six ligands was considered during calculations of the vibrational properties based on density functional theory (DFT) and in its dispersioncorrected approach (DFT-D)

Ligand effects on the optical and chiroptical properties of the thiolated Au18cluster

The effect of chiral and achiral ligands protecting the inner Au9 core of the Au18(SR)14 cluster is studied based on density functional theory (DFT) and its corrected long-range interaction (DFT-D) approach. It was found that the electronic properties (energy levels) depend on the specific ligands, which induce distinct distortions on the Au–S framework. However, the substitution of S-c-C6H11 as SCH3 ligands may be considered to be correct given the obtained resemblance to the displayed bonding, optical and chiroptical properties. A further comparison of the CD and UV spectra displayed by the Au18 cluster protected by chiral and achiral ligands attests that more intense profiles are featured by ligands including phenyl rings and/or oxygen atoms such that the Au18 cluster protected by either achiral metamercaptobenzoic acid (m-MBA) or achiral SPh ligands displays more intense UV and CD signals. These results provide new insight into the effect of ligands on thiolated gold clusters

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.

A new post-metallocene-ti catalyst with maltolate bidentade ligand: an investigation in heterogeneous polymerization reactions in different mesoporous supports

A new titanium catalyst easily synthesized from ethylmaltol bidentate chelator ligand was studied in homogeneous and heterogeneous ethylene polymerization. The dichlorobis(3-hydroxy-2-ethyl-4-pyrone)titanium(IV) complex was characterized by 1H and 13C NMR (nuclear magnetic resonance), UV-Vis and elemental analysis. Theoretical study by density functional theory (DFT) showed that the complex chlorines exhibit cis configuration, which is important for the activity in olefin polymerization. The complex was supported by two methods, direct impregnation or methylaluminoxane (MAO) pre-treatment, in five mesoporous supports: MCM-41 (micro and nano), SBA-15 and also the corresponding modified Al species. All the catalytic systems were active in ethylene polymerization and the catalytic activity was strongly influenced by the method of immobilization of the catalyst and the type of support.

Theoretical and experimental investigations on homologation of ethanol to butanol using a ruthenium-based catalyst

The mechanism of homologation of bioethanol to butanol and higher alcohols via the Guerbet reaction was computationally and experimentally investigated. The catalytic pathway involves a ruthenium-based complex and a base co-catalyst which work simultaneously. Due to selectivity issues, secondary products were formed and high competition between main pathway and side reactions was recorded. Herein, the overall catalytic mechanism for all the processes involved in was investigated, also considering the principal side reactions, using density functional theory (DFT) methods and experiments to confirm theoretical outcomes. Due to the complexity of the reaction network, kinetic simulations were established from DFT results, confirming experimental products distribution and giving insights into the factors governing the reaction mechanism.

Analytical and numerical study of polarons

The aim of this thesis is to introduce the polaron concept and to perform a DFT numerical calculation of a small polaron in the rutile phase of TiO2. In the first chapters, we present an analytical study of small and large polarons, based on the Holstein and Fröhlich Hamiltonians. The necessary mathematical formalism and physics fundamentals are briefly reviewed in the first chapter. In the second part of the thesis, Density Functional Theory (DFT) is introduced together with the DFT+U correction and its implementation in the Vienna Ab-Initio Simulation Package (VASP). The calculation of a small polaron in rutile is then described and discussed at a qualitative level. The polaronic solution is compared with the one of a delocalized electron. The calculation showed how the polaron creates a new energy level 0.70 eV below the conduction band. The energy level is visible both in the band structure diagram and in the density of states diagram. The electron is localized on a titanium atom, distorting the surrounding lattice. In particular, the four oxygen atoms closer to the titanium atom are displaced by 0.085 Å outwards, whereas the two further oxygen atoms by 0.023 Å. The results are compatible, at a qualitative level, with the literature. Further developments of this work may try to improve the precision of the results and to quantitatively compare them with the literature.

Computational investigation of a stereoselective synthesis of atropisomeric hydrazides possessing an N–N stereogenic axis

Axially chiral substrates are an interesting and widely studied class of compounds as they can be found in bioactive natural products and are employed as functional materials or as ligands in asymmetric catalytic processes. One branch of this family is the well-known world of the atropisomers. Among them, atropisomeric compounds possessing an N–N stereogenic axis are one truthfully fascinating system but not completely understood yet. In this thesis, we computationally investigated the mechanism of the diastereoselective formation of the N – N chiral axis of a hydrazide under asymmetric phase transfer catalytic conditions. Moreover, during this study, torsional barriers have been calculated for both the reagent and the product at the density functional theory (DFT). These values turned out to suitably match the experimental values and observations. Finally, Electronic Circular Dichroism (ECD) spectra have been simulated in order to assign the chiral absolute configuration to the products.

Metodi per la stima ab initio del gap energetico nei materiali

In questa tesi è stato svolto il calcolo di alcune proprietà dei materiali usando un approccio ab initio, in particolare i gap energetici e le DOS (densità di stati) di silicio e ossido di nichel. Per fare ciò, sono state usate tre diverse teorie: DFT (Density Functional Theory), DFT+U e GW. Nei primi tre capitoli sono state spiegate le tre approssimazioni fatte e le basi teoriche. Nel quarto capitolo si presentano i risultati. In particolare il gap del silicio usando la DFT è di 0.6617 eV che risulta più basso di quello sperimentale di 1.12 eV a causa dei limiti della DFT. Per la DFT+U è stato svolto il calcolo sull’ossido di nichel perché presenta orbitali d, interessati maggiormente nella correzione apportata. L’energia di gap calcolata è di 3.3986 eV . Per quel che riguarda l’approssimazione GW, è stata svolta anch’essa sul silicio e restituisce un gap di 1.301 eV , che risulta più vicino alla misura sperimentale rispetto alla DFT.

Development and applications of density matrix functional theory of generalized Hubbard Models

In dieser Doktorarbeit wird eine akkurate Methode zur Bestimmung von Grundzustandseigenschaften stark korrelierter Elektronen im Rahmen von Gittermodellen entwickelt und angewandt. In der Dichtematrix-Funktional-Theorie (LDFT, vom englischen lattice density functional theory) ist die Ein-Teilchen-Dichtematrix γ die fundamentale Variable. Auf der Basis eines verallgemeinerten Hohenberg-Kohn-Theorems ergibt sich die Grundzustandsenergie Egs[γgs] = min° E[γ] durch die Minimierung des Energiefunktionals E[γ] bezüglich aller physikalischer bzw. repräsentativer γ. Das Energiefunktional kann in zwei Beiträge aufgeteilt werden: Das Funktional der kinetischen Energie T[γ], dessen lineare Abhängigkeit von γ genau bekannt ist, und das Funktional der Korrelationsenergie W[γ], dessen Abhängigkeit von γ nicht explizit bekannt ist. Das Auffinden präziser Näherungen für W[γ] stellt die tatsächliche Herausforderung dieser These dar. Einem Teil dieser Arbeit liegen vorausgegangene Studien zu Grunde, in denen eine Näherung des Funktionals W[γ] für das Hubbardmodell, basierend auf Skalierungshypothesen und exakten analytischen Ergebnissen für das Dimer, hergeleitet wird. Jedoch ist dieser Ansatz begrenzt auf spin-unabhängige und homogene Systeme. Um den Anwendungsbereich von LDFT zu erweitern, entwickeln wir drei verschiedene Ansätze zur Herleitung von W[γ], die das Studium von Systemen mit gebrochener Symmetrie ermöglichen. Zuerst wird das bisherige Skalierungsfunktional erweitert auf Systeme mit Ladungstransfer. Eine systematische Untersuchung der Abhängigkeit des Funktionals W[γ] von der Ladungsverteilung ergibt ähnliche Skalierungseigenschaften wie für den homogenen Fall. Daraufhin wird eine Erweiterung auf das Hubbardmodell auf bipartiten Gittern hergeleitet und an sowohl endlichen als auch unendlichen Systemen mit repulsiver und attraktiver Wechselwirkung angewandt. Die hohe Genauigkeit dieses Funktionals wird aufgezeigt. Es erweist sich jedoch als schwierig, diesen Ansatz auf komplexere Systeme zu übertragen, da bei der Berechnung von W[γ] das System als ganzes betrachtet wird. Um dieses Problem zu bewältigen, leiten wir eine weitere Näherung basierend auf lokalen Skalierungseigenschaften her. Dieses Funktional ist lokal bezüglich der Gitterplätze formuliert und ist daher anwendbar auf jede Art von geordneten oder ungeordneten Hamiltonoperatoren mit lokalen Wechselwirkungen. Als Anwendungen untersuchen wir den Metall-Isolator-Übergang sowohl im ionischen Hubbardmodell in einer und zwei Dimensionen als auch in eindimensionalen Hubbardketten mit nächsten und übernächsten Nachbarn. Schließlich entwickeln wir ein numerisches Verfahren zur Berechnung von W[γ], basierend auf exakten Diagonalisierungen eines effektiven Vielteilchen-Hamilton-Operators, welcher einen von einem effektiven Medium umgebenen Cluster beschreibt. Dieser effektive Hamiltonoperator hängt von der Dichtematrix γ ab und erlaubt die Herleitung von Näherungen an W[γ], dessen Qualität sich systematisch mit steigender Clustergröße verbessert. Die Formulierung ist spinabhängig und ermöglicht eine direkte Verallgemeinerung auf korrelierte Systeme mit mehreren Orbitalen, wie zum Beispiel auf den spd-Hamilton-Operator. Darüber hinaus berücksichtigt sie die Effekte kurzreichweitiger Ladungs- und Spinfluktuationen in dem Funktional. Für das Hubbardmodell wird die Genauigkeit der Methode durch Vergleich mit Bethe-Ansatz-Resultaten (1D) und Quanten-Monte-Carlo-Simulationen (2D) veranschaulicht. Zum Abschluss wird ein Ausblick auf relevante zukünftige Entwicklungen dieser Theorie gegeben.

Synthesis, characterization, DFT and Td-dfT study of the [Fe(mnt)(L)(t-BuNC) 2] octahedral complex (L = phen, bipy)

FeBr2 has reacted with an equivalent of mnt2- (mnt = cis-1,2-dicyanoethylene-1,2-dithiolate) and the α-diimine L (L = 1,10'-phenantroline, 2,2'-bipyridine) in THF solution, and followed by adding of t-butyl-isocyanide to give [Fe(mnt)(L)(t-BuNC)2] neutral compound. The products were characterized by infrared, UV-visible and Mössbauer spectroscopy, besides thermogravimetric and conductivity data. The geometry in the equilibrium was calculated by the density functional theory and the electronic spectrum by the time-dependent. The experimental and theoretical results in good agreement have defined an octahedral geometry with two isocyanide neighbours. The π→π* intraligand electronic transition was not observed for cis-isomers in the near-IR spectral region.

Accurate prediction of the Si/SiO(2) interface band offset using the self-consistent ab initio DFT/LDA-1/2 method

We use the density functional theory/local-density approximation (DFT/LDA)-1/2 method [L. G. Ferreira , Phys. Rev. B 78, 125116 (2008)], which attempts to fix the electron self-energy deficiency of DFT/LDA by half-ionizing the whole Bloch band of the crystal, to calculate the band offsets of two Si/SiO(2) interface models. Our results are similar to those obtained with a ""state-of-the-art"" GW approach [R. Shaltaf , Phys. Rev. Lett. 100, 186401 (2008)], with the advantage of being as computationally inexpensive as the usual DFT/LDA. Our band gap and band offset predictions are in excellent agreement with experiments.

Excitation energies from ground-state density-functionals by means of generator coordinates

The generator-coordinate method is a flexible and powerful reformulation of the variational principle. Here we show that by introducing a generator coordinate in the Kohn-Sham equation of density-functional theory, excitation energies can be obtained from ground-state density functionals. As a viability test, the method is applied to ground-state energies and various types of excited-state energies of atoms and ions from the He and the Li isoelectronic series. Results are compared to a variety of alternative DFT-based approaches to excited states, in particular time-dependent density-functional theory with exact and approximate potentials.

Analysis of adsorption data of graphitized thermal carbon black with a DFT-lattice gas theory

In this paper we analyzed the adsorption of gases and vapors on graphitised thermal carbon black by using a modified DFT-lattice theory, in which we assume that the behavior of the first layer in the adsorption film is different from those of second and higher layers. The effects of various parameters on the topology of the adsorption isotherm were first investigated, and the model was then applied in the analysis of adsorption data of numerous substances on carbon black. We have found that the first layer in the adsorption film behaves differently from the second and higher layers in such a way that the adsorbate-adsorbate interaction energy in the first layer is less than that of second and higher layers, and the same is observed for the partition function. Furthermore, the adsorbate-adsorbate and adsorbate-adsorbent interaction energies obtained from the fitting are consistently lower than the corresponding values obtained from the viscosity data and calculated from the Lorentz-Berthelot rule, respectively.

Competitive paths for methanol decomposition on ruthenium: a DFT study

Methanol decomposition is one of the key reactions in direct methanol fuel cell (DMFC) state-of-the-art technology, research, and development. However, its mechanism still presents many uncertainties, which, if answered, would permit us to refine the manufacture of DMFCs. The mechanism of methanol decomposition on ruthenium surfaces was investigated using density functional theory and a periodic supercell approach. The possible pathways, involving either initial C−H, C−O or O−H scission, were defined from experimental evidence regarding the methanol decomposition on ruthenium and other metallic surfaces. The study yielded the O−H scission pathway as having both the most favorable energetics and kinetics. The computational data, which present a remarkable closeness with the experimental results, also indicate methanol adsorption, the starting point in all possible pathways, to be of weak nature, implying a considerable rate of methanol desorption from the ruthenium, compromising the reaction.

Synthesis, characterization, DFT and Td-dfT study of the [Fe(mnt)(L)(t-BuNC) 2] octahedral complex (L = phen, bipy)

FeBr2 has reacted with an equivalent of mnt2- (mnt = cis-1,2-dicyanoethylene-1,2-dithiolate) and the α-diimine L (L = 1,10'-phenantroline, 2,2'-bipyridine) in THF solution, and followed by adding of t-butyl-isocyanide to give [Fe(mnt)(L)(t-BuNC)2] neutral compound. The products were characterized by infrared, UV-visible and Mössbauer spectroscopy, besides thermogravimetric and conductivity data. The geometry in the equilibrium was calculated by the density functional theory and the electronic spectrum by the time-dependent. The experimental and theoretical results in good agreement have defined an octahedral geometry with two isocyanide neighbours. The π→π* intraligand electronic transition was not observed for cis-isomers in the near-IR spectral region.